功率半導(dǎo)體器件Ch6絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)電子工程系2025·春2絕緣柵雙極型晶體管IGBTIGBT是由VDMOS派生而來的:將漏極(襯底)n+區(qū)改為p+區(qū)VDMOS在漏極增加一個(gè)PN結(jié)IGBT漏極D集電極C；源極S發(fā)射極E；而具有MOS結(jié)構(gòu)的柵極G保持不變。簡(jiǎn)介工作模式：?jiǎn)螛O雙極

由p+集電區(qū)向n-漂移區(qū)注入空穴,引入電導(dǎo)調(diào)制,因此Ron

UCESat,同時(shí)由于有少子注入,使其開關(guān)速度降低。IGBT要解決的主要問題是：在保證有良好的通態(tài)特性提前下,盡量提高開關(guān)速度和阻斷能力。(+)(-)(+)3IGBT芯片與封裝外形

4

§6.1分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

§6.2工作原理與I-V特性

§6.3靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性分析

§6.4電子注入增強(qiáng)效應(yīng)

§6.5安全工作區(qū)與設(shè)計(jì)考慮

§6.6發(fā)展、特點(diǎn)與應(yīng)用內(nèi)容提要下節(jié)返回主頁5按柵極結(jié)構(gòu)分平面柵(Planar-IGBT)溝槽柵(Trench-IGBT)溝槽-平面柵(TP-IGBT)一、IGBT分類按結(jié)構(gòu)類型分橫向型(Lateral-IGBT)縱向型(Vertical-IGBT)§6.1分類與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)CGE電路符號(hào)按耐壓結(jié)構(gòu)分非穿通型(Non-Punch-Through)IGBT穿通型(Punch-Through)IGBT場(chǎng)阻止型(theFieldStop)-IGBT超結(jié)IGBT(SuperJunction)-IGBT按功能來分普通IGBT逆阻型IGBT(RB-IGBT)逆導(dǎo)型IGBT(RC-IGBT)雙向型IGBT(BI-IGBT)按機(jī)理來分(是否有IE效應(yīng))普通IGBTIE-IGBTIEGT(Toshiba東芝公司)HiGT(Hitachi日立公司)CSTBT(Mitsubishi三菱公司）EP-IGBT(ABB公司）一、IGBT分類6派生器件的電路符號(hào)71.穿通型(PT)IGBT①.耐壓結(jié)構(gòu)為PT型。當(dāng)UCE>0時(shí),J2結(jié)反偏，承受正向阻斷電壓；當(dāng)UCE<0時(shí),J1結(jié)反偏,由于緩沖層濃度較高，只能承受很小的反向電壓。正、反向阻斷能力不對(duì)稱。缺點(diǎn)：①采用外延片，需要對(duì)襯底進(jìn)行減薄

↓。②為了改善開關(guān)速度，需要進(jìn)行少子壽命控制

↓。特點(diǎn):采用外延片n-/n/p+(+)(-)(-)(+)溝道溝道外延形成緩沖層，摻雜濃度為1017cm-3J1J2J3二、IGBT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(一)平面柵(Planar)IGBT②.引入n緩沖層，導(dǎo)致n-漂移區(qū)較薄，可獲得低的UCEsat。①.耐壓結(jié)構(gòu)為NPT型。當(dāng)UCE>0時(shí),J2結(jié)反偏，承受正向阻斷電壓；當(dāng)UCE<0時(shí),J1結(jié)反偏,由于透明集電極很薄，也只能承受很小的反向電壓。正、反向阻斷能力不對(duì)稱。②.為了提高阻斷電壓，耗盡層WD

Wn-,導(dǎo)致UCEsat

；③.采用透明集電極,不需要控制少子壽命，開關(guān)速度快。2.非穿通型(NPT)IGBT缺點(diǎn)：

①采用區(qū)熔單晶片，需要對(duì)n襯底進(jìn)行減薄；②UBR與UCEsat之間存在矛盾。特點(diǎn)：采用高阻單晶片

(+)(-)(-)(+)溝道溝道J1J2J3離子注入形成透明集電區(qū),厚度為1~5m，摻雜濃度約1018cm-3893.場(chǎng)阻止型(FS)IGBT①.耐壓結(jié)構(gòu)為FS型。當(dāng)UCE>0時(shí),J2反偏，承受正向阻斷電壓。當(dāng)UCE<0時(shí),J1反偏,由于透明集電極很薄,只能承受很小的反向電壓。正、反向阻斷能力不對(duì)稱。②.n場(chǎng)阻止層濃度較低，對(duì)集電區(qū)的空穴注入無阻擋作用，可以同時(shí)提高正向UBR,并減小UCEsat；③.采用透明集電極，不需要控制少子壽命，開關(guān)速度快。特點(diǎn)：采用高阻單晶片

J1J2J3缺點(diǎn)：①采用區(qū)熔單晶片，需對(duì)襯底進(jìn)行減薄。②工藝難度大。(+)(-)(-)(+)溝道溝道離子注入形成場(chǎng)阻止層,摻雜濃度為1015-1016cm-310（二）溝槽柵(Trench)IGBT結(jié)構(gòu)1.溝槽柵NPT型IGBT特點(diǎn):①.由VUMOS結(jié)構(gòu)派生而來，去掉JFET區(qū)使RJ=0,可顯著降低Ron或UCEsat

。②.溝道垂直表面，不占表面積，溝道密度增加，電流容量增加。③.采用透明陽極，不需要進(jìn)行少子壽命控制，可以提高開關(guān)速度。溝道溝道(+)(-)(-)(+)缺點(diǎn)：n-漂移區(qū)的厚度較大，UCEsat較大11特點(diǎn):挖掉JFET區(qū)①.由VUMOS結(jié)構(gòu)派生而來，去掉JFET區(qū)使RJ=0,可顯著降低Ron或UCEsat

。②.溝道垂直表面，不占表面積，溝道密度增加，電流容量增加；同時(shí)n-漂移區(qū)的厚度較薄,UCEsat較低；③.采用透明集電極,不需要進(jìn)行少子壽命控制，開關(guān)速度快。(+)(-)(-)(+)缺點(diǎn)：工藝難度和成本大溝道溝道（二）溝槽柵(Trench)FS-IGBT結(jié)構(gòu)（三）溝槽-平面柵FS-IGBT結(jié)構(gòu)

①.柵極是由平面柵與溝槽柵組合而成的。溝槽位于JFET區(qū)中間，兩邊為平面柵極。②.與Planar-IGBT相比，由于去掉了部分JFET區(qū),在不影響阻斷電壓的情況下，可降低飽和電壓；③.與Trench-IGBT相比，將溝槽柵從源極單元分離出來，溝道不受溝槽的影響，且溝槽較淺，工藝成本降低。具有兩者的共同優(yōu)點(diǎn)。特點(diǎn):溝道溝道積累積累J1J2J3(+)(-)(-)(+)要求溝槽深度小于p基區(qū)結(jié)深，寬度小于p基區(qū)間距122026/1/27Planar-IGBTNPT型IGBTPT型IGBT基本結(jié)構(gòu)成本最高成本最低NPT型IGBT離子注入襯底離子注入離子注入FS型IGBT較薄較薄較厚高濃度低濃度思考題1：為什么IGBT的p基區(qū)與發(fā)射極要短路？為什么？離子注入襯底Trench-IGBT壽命控制13141.閂鎖效應(yīng)（Latchupeffect）n+pn-p+

n+pEGCJ1J2J3UGEUCERBRBRB值由p基區(qū)的薄層電阻和發(fā)射區(qū)的長(zhǎng)度決定。pnpnpn二.IGBT的寄生效應(yīng)與等效電路IGBT結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)寄生的npn晶體管和一個(gè)pnp晶體管，在一定條件下，當(dāng)兩者的共基極電流放大系數(shù)總和達(dá)到1(即

npn+pnp≥1),就會(huì)形成正反饋效應(yīng)，使IGBT的柵極失控,最終因過熱而燒毀。這種現(xiàn)象稱為閂鎖效應(yīng)。若p基區(qū)電阻RB上的壓降小于npn管發(fā)射結(jié)的開啟電壓,則可避免寄生的npn晶體管開通，從而消除閂鎖發(fā)生。請(qǐng)記錄寄生的pnpn

晶閘管ip

ib2ic2=

2ip

ib1ic1=

1ib1=

1

2ip

ib2寄生晶閘管導(dǎo)通后，即使IGBT柵-射極電壓為零(即in=0)，僅依靠正反饋，寄生晶閘管仍維持導(dǎo)通。此時(shí)IGBT柵極失控,電流越來越大，最終燒毀。

當(dāng)UCE>0、UR>UE

時(shí),

寄生npn管導(dǎo)通→pnp管導(dǎo)通→npn管進(jìn)一步導(dǎo)通→形成正反饋→寄生晶閘管迅速導(dǎo)通。寄生晶閘管的導(dǎo)通過程：

?2ip?1?2ipT1T2CEnpnpnpic1ic2ipRBib1ib2實(shí)際應(yīng)用中一定要防止IGBT發(fā)生閂鎖1516若RB很小,UR<0.6Vnpn晶體管不會(huì)導(dǎo)通，則IGBT不會(huì)發(fā)生閂鎖，于是IGBT等效電路可簡(jiǎn)化成pnp晶體管/MOSFET模型等效電路：IGBTMOSFET控制的雙極晶體管

GECpnpnpnRBICIPIEInRDUR<0.6VGECICIPIEInpnp一、工作原理1.當(dāng)UCE>0時(shí),器件正向工作：以平面柵NPT-IGBT為例無溝道無溝道IC≈0UGE≤0時(shí)①阻斷：若UGE

0，柵極下方的p基區(qū)表面不會(huì)形成反型;因UCE>0，由反偏J2結(jié)來承擔(dān)外加正向電壓UCE

IGBT處于正向阻斷狀態(tài),只有微小的漏電流；若UCE>UBR，IGBT會(huì)發(fā)生雪崩擊穿，其中的電流會(huì)急劇增加?！?.2工作原理與I-V特性UGEUGEUCE>0時(shí)UCER17溝道溝道UGE>UT時(shí)UCE>0時(shí)②開通：若UGE>UT，柵極下方的p基區(qū)表面反型形成導(dǎo)電溝道,n+發(fā)射區(qū)的電子經(jīng)溝道進(jìn)入n-漂移區(qū),使J1結(jié)更正偏，于是p+集電區(qū)向n-漂移區(qū)注入空穴：一部分與MOS溝道過來的電子復(fù)合形成電子電流；另一部分被反偏J2結(jié)掃入p基區(qū)，然后并被發(fā)射極收集，形成空穴電流，IGBT進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。UGEUGEUCEUGE

Rch

In

IpIC

R1819③通態(tài)（飽和導(dǎo)通）：當(dāng)UGE較低時(shí),增大UCE，溝道末端的電位升高。當(dāng)UCE增加到UCEsat時(shí),與功率MOS相同,IGBT的溝道末端也會(huì)夾斷，有效溝道長(zhǎng)度變短，溝道區(qū)電場(chǎng)增大,溝道電子的漂移速度達(dá)到飽和，In達(dá)到飽和，IC也呈飽和特性，于是IGBT處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)。IC=C保持UGE>UT當(dāng)UCE

時(shí)UGEUGEUCE溝道溝道UCE

Ech=Ecr

n=sat

In=IsatIC=ICsat

RUGE>>UT溝道溝道UGEUGEUCE保持UCE>0時(shí)④通態(tài)（非飽和導(dǎo)通）：若保持UCE>0不變,

UGE增加時(shí),由溝道注入到n-漂移區(qū)的電子數(shù)目增加,導(dǎo)致p+集電區(qū)注入的空穴數(shù)目也增加，當(dāng)

p(x)>>ND時(shí)，達(dá)到大注入狀態(tài)，于是n-漂移區(qū)會(huì)發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使UCEsat減小,IC不再飽和，而是迅速上升。此時(shí)IGBT類似于pin二極管的導(dǎo)通，處于非飽和導(dǎo)通狀態(tài)。UGE

In

Ip

p(x)IC

R21⑤關(guān)斷：若使G、E短路(UGE

0)，柵電容放電，溝道消失，切斷了n-漂移區(qū)電子的來源(In=0),即pnp晶體管基極電流為零

于是IGBT開始關(guān)斷。由于正向?qū)ㄆ陂g，n-漂移區(qū)注入了少子，所以關(guān)斷不能突然完成，需經(jīng)歷一個(gè)少子復(fù)合消失的過程之后，IGBT恢復(fù)到正向阻斷狀態(tài)，由反偏J2結(jié)來承擔(dān)外加正向電壓UCE。無溝道溝道消失IC≈0令UGE=0保持UCE>0UGEUGEUCER22可見，NPT-IGBT具有正向阻斷特性、導(dǎo)通特性和反向阻斷特性。UGE≤0時(shí)UCE<0時(shí)2.當(dāng)UCE<0時(shí)（反向工作）UGEUGE當(dāng)UCE<0時(shí)，J2結(jié)正偏、J1結(jié)反偏，由反偏的J1結(jié)來承擔(dān)外加的反向電壓

IGBT處于反向阻斷狀態(tài)，其中只有微小的漏電流。由于J1結(jié)兩側(cè)濃度較高，故反向阻斷電壓較低。UCERIC≈0231.當(dāng)UCE>0時(shí)，IGBT正向工作：①正向阻斷：若UGE<0時(shí)，柵極下方的p基區(qū)表面不會(huì)形成溝道，無電流流過;因UCE>0,J1結(jié)正偏，由反偏J2結(jié)來承擔(dān)外加的正向電壓UCE

IGBT處于正向阻斷狀態(tài)，其中只有微小的漏電流。當(dāng)UCE大于J2結(jié)雪崩擊穿電壓UBR時(shí),IGBT集-射極間J2結(jié)發(fā)生擊穿,IC急劇增加。請(qǐng)記錄IGBT的工作原理②開通：若UGE>UT，柵極下方的p基區(qū)表面會(huì)形成導(dǎo)電溝道,n+發(fā)射區(qū)的電子經(jīng)溝道進(jìn)入n-漂移區(qū),使J1結(jié)更加正偏，于是p+集電區(qū)向n-漂移區(qū)注入空穴:一部分空穴與MOS溝道來的電子復(fù)合，形成電子電流；另一部分空穴被反偏J2結(jié)掃入p基區(qū)被發(fā)射極收集，形成空穴電流

IGBT處于開通狀態(tài)，并且IC=In+Ip。此時(shí),UGE

Rch

InIC

。24④通態(tài)(非飽和導(dǎo)通)：當(dāng)UGE較高(>>UT)時(shí)，經(jīng)溝道注入到n-漂移區(qū)的電子數(shù)目增加，導(dǎo)致從p+集電區(qū)注入的空穴數(shù)目也增加。當(dāng)

p=

n>>ND時(shí),達(dá)到大注入狀態(tài),于是n-漂移區(qū)發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，Ron下降,UCEsat減小。此時(shí)IGBT類似pin二極管導(dǎo)通,IC會(huì)急劇增大。③通態(tài)(飽和導(dǎo)通)：當(dāng)UGE(>UT)較低時(shí),

隨著UCE增加，溝道末端電位升高。若UCE增加到UCEsat，IGBT與功率MOSFET相同，溝道末端也會(huì)夾斷，有效溝道長(zhǎng)度變短，溝道區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)，電子漂移速度達(dá)到飽和漂移速度，IC呈飽和特性。⑤關(guān)斷：若UGE

0(即G、E短路)，柵電容放電，導(dǎo)電溝道消失，電子電流變?yōu)榱?In=0)

IGBT開始了關(guān)斷過程。由于導(dǎo)通期間n-漂移區(qū)中注入了大量的少子，所以關(guān)斷要經(jīng)歷一個(gè)少子復(fù)合消失的過程后，才能恢復(fù)到正向阻斷狀態(tài)，并由反偏的J2結(jié)來承擔(dān)外加正向電壓UCE。252.IGBT反向工作：當(dāng)UCE<0時(shí),由于J1結(jié)反偏，承擔(dān)外加的反向電壓UCE

IGBT處于反向阻斷狀態(tài)，其中只有微小的漏電流。保持UGE>UT不變，當(dāng)

UCE

Ech

（Ecr）

n

（

nsat）

In

（Insat）

Ip

（Ipsat）

IC飽和（ICsat

）；

UCE調(diào)制：溝道區(qū)載流子的漂移速度。2.當(dāng)UCE較小，UGE

n

In

Ip

p(x)IC

并呈非飽和特性；

UGE調(diào)制：漂移區(qū)載流子的濃度。IGBT調(diào)制機(jī)理：可見，調(diào)節(jié)UGE和UCE的大小,均可控制IC大小

壓控器件26UCEOUGE↑IC二、I-V特性曲線1.當(dāng)UCE>0時(shí)，器件處于正向工作狀態(tài)（第一象限）:若UGE<UT時(shí)，器件處于正向阻斷區(qū)(斷態(tài))；由J2結(jié)承擔(dān)正向阻斷電壓；若UGE>UT時(shí)，器件處于線性區(qū)，電流呈飽和狀態(tài)（類似功率MOSFET）；若UGE>>UT時(shí)，器件處于飽和區(qū)(通態(tài))，電流呈非飽和狀態(tài)（類似BJT）。2.當(dāng)UCE<0時(shí),器件處于反向工作狀態(tài)（第二象限）:

由J1結(jié)承擔(dān)反向阻斷電壓（類似二極管）

。正向?qū)ǚ聪蜃钄嗾蜃钄囝愃朴诠β蔒OSFET類似于功率晶體管或二極管類似于功率晶體管或二極管飽和區(qū)擊穿區(qū)線性區(qū)思考題2：為什么IGBT的反向擊穿電壓較低？27狀態(tài)偏

置

條件特征正向阻斷柵-射極電壓UGE≤0,0<UCE<UBR(J2)時(shí)截止；當(dāng)UCE>UBR(J2)時(shí)發(fā)生雪崩擊穿截止區(qū)，漏電流??；J2結(jié)雪崩擊穿后電流急增開通柵-射極正向電壓大于閾值電壓

(即UGE>UT)集-射極加正向電壓（即UCE>0）溝道形成,電子電流驅(qū)動(dòng)空穴電流形成通態(tài)柵-射極正向電壓大于閾值電壓(即UGE>UT)集-射極加正向電壓較高

(即UCE>>0)

溝道夾斷，電流飽和線性區(qū)柵-射極電壓遠(yuǎn)大于閾值電壓(即UGE>>UT)集-射極加正向電壓較低

(即UCE>0)

電流非飽和，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，飽和區(qū)關(guān)斷柵-射極加反向電壓（即UGE0）集-射極加正向電壓（即UCE>0）溝道消失，按pnp晶體管關(guān)斷，少子復(fù)合反向阻斷柵-射極電壓UGE≤0,UCE<0處于截止；當(dāng)|UCE|>UBR(J1)發(fā)生雪崩擊穿截止漏電流??；J1結(jié)雪崩擊穿后電流急增IGBT偏置條件、工作區(qū)與狀態(tài)特征28n-p+n+PCEG根據(jù)pnp晶體管/MOSFET模型若流過MOS溝道的電子電流為In,流過pnp集電區(qū)的空穴電流為Ip,則流過IGBT的集電極電流為：對(duì)于pnp晶體管，集電極電流Ip與基極電流In之間關(guān)系如下：ICMOSFETpnpIn四.I-V特性分析(+)(+)(-)Ip29根據(jù)功率MOSFET飽和區(qū)的I-V特性方程：隨UG增大，IGBT由放大區(qū)逐漸進(jìn)入飽和區(qū)，即由功率MOSFET的電流飽和區(qū)轉(zhuǎn)入功率雙極晶體管的深飽和區(qū)，其集電極電流IC將隨UGE增加而增大，不再呈現(xiàn)飽和特性?！狪GBT的I-U特性表達(dá)式將上式代入(3)式,可得到IGBT的飽和集電極電流為：理想情況當(dāng)IGBT與功率MOSFET的Z/L相同，且pnp=0.5時(shí)，則IGBT的飽和電流是功率MOSFET的2倍。30實(shí)際上，工作在放大區(qū)時(shí)，IGBT的IC隨UCE增加而緩慢增加，輸出曲線向上傾斜,并且NPT-IGBT的I-U曲線上翹更比PT-IGBT嚴(yán)重。IC0UCEUGE>UT理論曲線實(shí)際曲線原因：①有效溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)(與功率MOSFET相似)；②pnp晶體管的

pnp隨UCE的變化。(原因1、2)(原因1）31UCEUGECEGn-p+subn+pn①.有效溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)（與功率MOSFET相似）在較小UGE下，當(dāng)UCE=UCESat時(shí)，溝道末端夾斷;(當(dāng)UCE>UCESat)考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)變效應(yīng)后,隨著UCE繼續(xù)增加，夾斷點(diǎn)向發(fā)射極移動(dòng)，導(dǎo)致溝道的有效長(zhǎng)度減小，即溝道電阻減小;但夾斷點(diǎn)電位保持在UCESat。故在給定UGE下,UCE

In

IC

，因而I-U特性曲線向上傾斜。L

L32pnp晶體管的

pnp分析：對(duì)PT-IGBT：WL

Wn不隨UCE變化，

pnp不變。所以,PT-IGBT的線性區(qū)的I-V曲線向上傾斜程度較小?？梢?，IC依賴于

pnp(WL)變化。隨UCE增加,

pnp增加,IC增加。所以,NPT-IGBT線性區(qū)的I-V曲線上翹嚴(yán)重。對(duì)NPT-IGBT：當(dāng)UCE很小時(shí)，n-漂移區(qū)耗盡層展寬WD較小，中性區(qū)寬度WL較大,pnp較小，IC較??；當(dāng)UCEn-漂移區(qū)耗盡層的展寬WD

WL

pnpIC

；（對(duì)于NPT結(jié)構(gòu)）（對(duì)于PT結(jié)構(gòu)）相比較而言，PT-IGBT中Wn較小，通過控制少子壽命，Ln也較低，但由于其集電極注入效率

高,所以，PT-IGBT的

pnp值要比NPT-IGBT的

pnp值大。331.跨導(dǎo)：表示柵極電壓控制集電極電流的能力。定義：在一定的集-射極電壓UCE下，柵-射極電壓UGE變化引起集電極電流IC的變化。五.特性參數(shù)根據(jù)IC～f(UCE,UGE)是功率MOSFET的1/(1-

pnp)倍提高gm的措施：①.提高Z/L

gm

；tox

Cox

gm

；

pnp

gm

②.當(dāng)IGBT與功率MOSFET的Z/L相同，且pnp=0.5時(shí)，則IGBT的跨導(dǎo)是功率MOSFET的2倍。2.閾值電壓：與功率MOSFET基本相同346.最大集電極電流ICmax：指在額定溫度下,IGBT所允許的集電極最大直流電流IC和脈寬為1ms時(shí)的最大脈沖電流ICP，決定了IGBT的電流定額。7.閂鎖電流ILS

：在正常工作溫度下，IGBT發(fā)生閂鎖時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大集電極電流。正常工作時(shí),通過IGBT的集電極電流IC應(yīng)小于ILS。3.柵-射極擊穿電壓BVGE：柵氧化層的擊穿電壓,決定了G、E間能承受的最高電壓。5.集-射極飽和電壓UCEsat：指在規(guī)定柵-射極電壓和集電極電流條件下，IGBT飽和導(dǎo)通時(shí)的最大集-射極電壓。4.最大集-射極電壓UCES：由IGBT內(nèi)部的pnp晶體管所能承受的電壓決定。UCES決定了IGBT的電壓定額。8.最大集電極功耗Pcmax：在正常工作溫度下，允許的最大耗散功率，由最高允許結(jié)溫決定。35根據(jù)IGBT的原理分析可知，導(dǎo)通時(shí)IGBT類似于pin二極管。一、通態(tài)特性§6.3靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性分析N-P+N+PCEG(+)(+)(-)導(dǎo)通狀態(tài)下可等效為pin二極管/MOSFET的串聯(lián)模型GECInICICIEUGPINMOSFET假設(shè)集電極電流完全通過了溝道,實(shí)際上通過溝道的電流僅為電子電流。wcell

/2361.UCEsat與pnp有關(guān)，即與WL有關(guān)；

采用NPT結(jié)構(gòu)

pnp較小UCEsat較大；采用PT結(jié)構(gòu)

pnp較大UCEsat較小；IGBT飽和電壓分析：4.UCEsat與UGE有關(guān):UGE較小時(shí),UMOS

UCEsat

當(dāng)UGE較大時(shí),UMOS

，Upin

UIGBT

2.UCEsat與少子壽命有關(guān)：

P

La

pnp

Upin

(與關(guān)斷特性矛盾)3.UCEsat與Z/L有關(guān)：

Z/LUMOS

UCEsat

UMOS中加pnp來進(jìn)行修正UCEICUG<UTUG>UTUG>>UTOUTO37反向阻斷特性(NPT-IGBT)：當(dāng)UCE<0時(shí)，J1結(jié)反偏，IGBT具有反向阻斷能力，其反向阻斷電壓主要J1結(jié)擊穿電壓有關(guān)。二、阻斷特性正向阻斷特性：當(dāng)柵-射極間短路(即UGE=0)且UCE>0時(shí)，柵極下面無法形成導(dǎo)電溝道，J2結(jié)反偏，IGBT具有正向阻斷能力，其正向阻斷電壓受pnp晶體管放大系數(shù)pnp的影響。n+pn-subp+

n+pEEGCJ2J1由于NPT-IGBT的集電區(qū)厚度較薄,故其反向擊穿電壓很低。(-)(-)(+)(+)(+)(-)由于PT-IGBT的緩沖層濃度較高,故其反向擊穿電壓也很低。PT(PunchThrough)NPT(Non-PunchThrough)FS(FieldStop)少子壽命控制需要減薄工藝正反向阻斷狀態(tài)下的電場(chǎng)分布正向阻斷電壓與n-漂移區(qū)、p基區(qū)、元胞間距及表面擊穿等有關(guān)；正反向阻斷能力不對(duì)稱三角形分布類梯形分布反向阻斷電壓與p+集電區(qū)、n-漂移區(qū)或n緩沖層/FS層摻雜等有關(guān)。類梯形分布39icttuceooUCEsatouGttoUCEsatuce阻性負(fù)載感性負(fù)載uTton90%ICO1.開通過程當(dāng)UG>UT時(shí),MOS管導(dǎo)通，形成電子電流In,驅(qū)動(dòng)pnp晶體管很快導(dǎo)通,形成空穴電流Ip,IGBT的電流由兩部分組成，即IC=In+Ip；三、開關(guān)特性由于少子在寬基區(qū)的pnp晶體管中渡越需要時(shí)間，基區(qū)預(yù)建立與穩(wěn)態(tài)相對(duì)應(yīng)的少子數(shù)也需要時(shí)間

IC有一個(gè)緩慢的上升過程。Ip開通過程分兩部分：①tr1:溝道電流的形成過程；②tr2:少子在n-漂移區(qū)渡越過程。危機(jī)點(diǎn)In2026/1/2740

uICD

Ic

Intoff10%ICO2.關(guān)斷過程當(dāng)UGE撤掉(UGE=0)時(shí),導(dǎo)電溝道消失，IC由ICO下降到ICD，

IC約為電子電流In(IC

In)。關(guān)斷過程分兩部分：①tf1:溝道電流消失過程；②tf2:少子復(fù)合拖尾過程。溝道消失后，因?yàn)镮p并未突然停止，IC繼續(xù)存在，由注入到n-漂移區(qū)的少子來維持。隨著復(fù)合繼續(xù)進(jìn)行，少子數(shù)減少，直到IC衰減為0。危機(jī)點(diǎn)uGUFictttuceuceoooto

阻性負(fù)載

感性負(fù)載ICO413.開關(guān)時(shí)間t0IC關(guān)斷過程電流變化toffInICO10%ICOICDtotonIC90%IC開通過程電流變化開通時(shí)少子渡越時(shí)間很短

開通時(shí)間很短。關(guān)斷時(shí)少子的復(fù)合速度較慢

關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)。

Ptoff

(與導(dǎo)通特性矛盾)

P

pnpICD

toff

關(guān)斷期間普通集電區(qū)與透明集電區(qū)的電荷抽取情況普通集電區(qū)（tc>>Ln）透明集電區(qū)（tc<<Ln）透明集電區(qū)的特性：在小電流下，pn結(jié)發(fā)射效率很高，有利于提高開通速度；在大電流下，pn結(jié)發(fā)射效率較低，有利于提高關(guān)斷速度。少子在Ln范圍內(nèi)復(fù)合消失完電子直接穿透集電區(qū)，在電極處復(fù)合消失完。透明集電區(qū)：淺而弱的摻雜區(qū),因電子穿透集電區(qū)就像集電區(qū)被短路一樣,稱為透明集電區(qū)；或者集電區(qū)對(duì)于電子是透明的。Ln42空穴注入效率

p和電子注入效率

n隨JC的變化IGBT開通時(shí),

p高,

n低,

p>>

n,有助于IGBT快速開通；IGBT關(guān)斷時(shí),

p降低,

n提高,

p≈

n,有助于IGBT快速關(guān)斷?？昭ㄗ⑷胄?/p>

p電子注入效率

n電流密度JC普通集電區(qū)普通集電區(qū)透明集電區(qū)1.00.50

p≈1

n≈0

p

1

n

0

p+

n≈1

p

n43課前小測(cè)驗(yàn)試題（一）1.普通IGBT常用的耐壓結(jié)構(gòu)有A.1種B.2種

C.3種

D.4種

3.增大IGBT的柵極電壓可以調(diào)制的參數(shù)是A.溝道電阻B.漂移區(qū)電阻C.溝道載流子的漂移速度D.A、CE.A、B

F.A、B、C

4.IGBT的集電極側(cè)pnp晶體管的電流放大系數(shù)

pnp會(huì)影響其哪些特性參數(shù)？A.正向阻斷電壓

B.導(dǎo)通飽和電壓

C.關(guān)斷時(shí)間

D.跨導(dǎo)E.A、B、C

F.A、B、C、D

2.IGBT發(fā)射區(qū)和p基區(qū)是短路的目的是A.防止閂鎖效應(yīng)

B.防止寄生的npn導(dǎo)通

C.簡(jiǎn)化工藝

4445閂鎖模式I-U特性負(fù)阻現(xiàn)象在IGBT導(dǎo)通時(shí)，空穴電流在橫向電阻RB產(chǎn)生壓降用UR來表示。

pB—p基區(qū)薄層電阻；LE—n+發(fā)射區(qū)長(zhǎng)度；WP—p基區(qū)厚度；Z—溝道寬度。RB值由p基區(qū)

pB和發(fā)射區(qū)LE決定。四、閂鎖特性EGCn-p+pn+（+）（-）（+）RBIp46(2)

pRBILS

NA

UT(不利)(3)

P

PNPILS

toff

（有利）(1)LERBILS

元胞數(shù)目IC

但LE受光刻容差的限制latch-up發(fā)生的條件：

IGBT正常工作時(shí)，IC<ILS。溫度升高,ILS減小。實(shí)際應(yīng)用中要嚴(yán)格限制IGBT的工作溫度(-55～125℃)

p及pnp均與T有關(guān),TP

pnpILS

p

p

RBILS

閂鎖電流ILS：指IGBT發(fā)生閂鎖時(shí)的最大集電極電流。47EGC（+）n-p+（+）（-）n+p+RBLE2LE1IhGECn-p+n+p+(+)(-)(+)A.從結(jié)構(gòu)上，可采用小元胞、深或淺P+基區(qū)及少子旁路結(jié)構(gòu)；①采用深p+阱區(qū)擴(kuò)散②采用淺p+區(qū)擴(kuò)散提高ILS的方法：P+IhRB48③少子旁路結(jié)構(gòu)目的：增加空穴電流的通道(旁路),使空穴電流分流Ip

缺點(diǎn)：旁路部分無溝道形成使MOSFET的溝道密度I（+）（+）（-）n-p+RBn+p+n+p+CGE旁路電流Ip2InIp1旁路溝道49④.提高溝道區(qū)的摻雜濃度同時(shí)采用薄柵極氧化層保持UT不變，將tox減小一半則NAP增加4倍，p基區(qū)的濃度PRB

ILS

（約２倍）但tox減小受氧化層質(zhì)量限制。tox0JLS(A/cm2)500?

1000?

1000500⑤.減小少子壽命B.從工藝上，采用減薄柵氧tox或減小少子壽命p。50五、高溫特性溫度對(duì)IGBT特性參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.對(duì)閾值電壓的影響

溫度升高，閾值電壓下降（

Tni

,kT/q

UOX

UT

）2.對(duì)跨導(dǎo)的影響溫度升高，跨導(dǎo)下降（Tns

gm

）3.對(duì)閂鎖電流的影響溫度升高，閂鎖電流下降4.對(duì)飽和電壓的影響

既有正溫度系數(shù)，也有負(fù)溫度系數(shù)；

5.對(duì)阻斷電壓和漏電BR流的影響

正向阻斷電壓U隨溫度升高先增加而后減??；6.對(duì)開關(guān)時(shí)間的影響

少子導(dǎo)電，溫度升高，關(guān)斷時(shí)間變長(zhǎng)；TP

pnpILS

p

p

RBILS

51UF(V)0JF

25℃125℃TTIGBT工作時(shí)可以等效為：pin(pnp)與MOSFET的組合；PIN(PNP)屬于雙極型器件，即：T

Ron

JF

；在一定溫度T下，MOSFET屬于單極型器件，即T

Ron

JF

；在某一電流密度下,當(dāng)pin(或pnp)與MOSFET的作用正好相反時(shí)，IGBT飽和電壓與溫度無關(guān)(零溫度系數(shù)點(diǎn),ZTC)1.溫度對(duì)飽和電壓的影響NPT：T

Ron

可并聯(lián)使用,實(shí)現(xiàn)大功率。PT：T

Ron

不能并聯(lián)使用，適合高頻、快速的應(yīng)用場(chǎng)合。Ron正溫度系數(shù)Ron負(fù)溫度系數(shù)ZTC點(diǎn)UCEsat與T無關(guān)NPT-IGBTPT-IGBT2.溫度對(duì)阻斷電壓的影響IGBT的正向阻斷電壓UBF主要取決于J2結(jié)的雪崩擊穿電壓與pnp晶體管的電流放大倍數(shù)

pnp。正向阻斷電壓：①T↑→l

→EA

→Ecr

(p-n)↑→UBO↑→UBF↑②T↑→ni↑、

P↑→ICO↑→

pnp↑→UBF

正向阻斷電壓UBR隨溫度升高先增加而后減小。由于PT-IGBT結(jié)構(gòu)

pnp比NPT-IGBT結(jié)構(gòu)

pnp大,故UBF受溫度的影響更大。反向阻斷電壓UBR主要取決于J1結(jié)的雪崩擊穿電壓，隨溫度升高而增加。533.溫度對(duì)關(guān)斷時(shí)間的影響IGBT關(guān)斷時(shí)間主要取決于集電極電流的拖尾電流。溫度升高，關(guān)斷特性變差。復(fù)合速度tr

pnp

toff

TP

t0IC(A)T=25℃trInICDt0IC(A)T=125℃trInICD器件

名稱導(dǎo)通機(jī)理與特性開關(guān)機(jī)理與特性

可靠性功率雙極晶體管雙極模式，基區(qū)、集電區(qū)都有電導(dǎo)調(diào)制；UCESat低少子復(fù)合、從基區(qū)抽??；關(guān)斷速度慢防二次擊穿功率MOSFET單極模式，n漂移區(qū)無電導(dǎo)調(diào)制；Ron大無少子關(guān)斷速度快防npn晶體管導(dǎo)通IGBT雙極模式，n漂移區(qū)有電導(dǎo)調(diào)制；UCESat低少子復(fù)合、從兩側(cè)抽取；關(guān)斷速度較快防閂鎖效應(yīng)三種功率晶體管的正向工作對(duì)比

54NPT-IGBT5556§6.4電子注入增強(qiáng)效應(yīng)通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在IGBT中引入電子注入增強(qiáng)(InjectionEnhanced，IE)效應(yīng)，即增加發(fā)射極側(cè)的電子注入，同時(shí)限制集電極側(cè)的空穴注入，從而改善器件通態(tài)和關(guān)斷特性之間矛盾，達(dá)到降低總損耗的目的。問題：當(dāng)IGBT阻斷電壓較高時(shí)，通態(tài)損耗和關(guān)斷損耗會(huì)增加,使阻斷、通態(tài)及開關(guān)特性這三者之間的矛盾加劇。對(duì)高壓IGBT而言，在保證阻斷電壓的前提下，如何解決飽和電壓與開關(guān)速度之間的矛盾，從而獲得較低的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗?57一、注入增強(qiáng)型IGBT的結(jié)構(gòu)分類1.IEGT(Toshiba東芝公司)3.HiGT(Hitachi日立公司)2.CSTBT(Mitsubishi三菱公司）載流子存儲(chǔ)層4.EP-IGBT(ABB公司）平面柵EP-IGBT（CarrierStoredTrench-gateBipolarTransistor）（InjectionEnhancementGateTransistor）（High-conductivityIGBT）（Enhanced-PlanarIGBT）平面柵HiGT寬柵極虛擬元胞溝槽柵結(jié)構(gòu)空穴勢(shì)壘層載流子增強(qiáng)層平面柵IEGT溝槽柵IEGT統(tǒng)一為IE輔助層溝道溝道溝道溝道（-）（-）（+）（+）（+）空穴電子電子1.溝槽柵IEGT（T-IEGT）在Trench-IGBT中增加虛擬元胞59(a)Planarwithn-layer(b)Trenchwithn-layeranddummycellsn型載流子增強(qiáng)層n型載流子存儲(chǔ)層虛擬元胞n載流子存儲(chǔ)層濃度高于n-漂移區(qū)，使于p基區(qū)與n層間的內(nèi)電勢(shì)差增加（約0.2V）。該內(nèi)電勢(shì)相當(dāng)于一個(gè)空穴勢(shì)壘，阻止集電區(qū)注入到n-區(qū)的空穴順利通過，使其在n層存儲(chǔ)，產(chǎn)生IE效應(yīng)。電子電子電子電子增加IE輔助層+虛擬元胞2.EP-IGBT與CSTBT60IE效應(yīng)的特點(diǎn)與作用：由于n-漂移區(qū)充滿大量的非平衡載流子，受到強(qiáng)烈的電導(dǎo)調(diào)制，其分布更接近導(dǎo)通的pin二極管，于是飽和電壓降低，但注入到n-區(qū)的空穴數(shù)并未增加?？梢?，IE效應(yīng)增加了發(fā)射極側(cè)的載流子積累，同時(shí)控制了集電極側(cè)的少數(shù)載流子濃度，有效地控制了拖尾電流，從而解決了因耐壓提高、關(guān)斷特性與通態(tài)壓降之間的矛盾。在IGBT處于正向?qū)顟B(tài)時(shí),n+發(fā)射區(qū)通過溝道向n-漂移區(qū)注入電子，由于存在虛擬元胞,或存在載流子輔助層(如存儲(chǔ)層、增強(qiáng)層)等，使從p+集電區(qū)注入到n-漂移區(qū)的空穴在柵極下面的n-漂移區(qū)或p基區(qū)下方的n輔助層形成堆積；為了保持n-漂移區(qū)的電中性，迫使n+發(fā)射區(qū)相n-漂移區(qū)注入更多的電子，這種現(xiàn)象稱為電子注入增強(qiáng)(Injection

Enhanced)效應(yīng)。請(qǐng)記錄二.電子注入增強(qiáng)(IE)效應(yīng)：三、注入增強(qiáng)型IGBT模型與等效電路等效電路導(dǎo)通時(shí)等效電路IE-IGBT導(dǎo)通時(shí)MOSFET與pin串聯(lián)，與普通的IGBT相同。與IGBT的區(qū)別在于，n-漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)加強(qiáng)，載流子濃度分布更接近二極管，故UCEsat更低。IE-IGBTIGBT6162§6.5

安全工作區(qū)與設(shè)計(jì)考慮一.IGBT安全工作區(qū)（SOA）IGBT安全工作區(qū)(包括正偏SOA和反偏SOA及短路SOA)IGBT的FBSOA介于功率MOS和功率BJT之間IGBT的RBSOA接近矩形ICmax由閂鎖電流ILS確定；PCmax由最高允許結(jié)溫決定；UCEmax由IGBT集電極側(cè)pnp晶體管的擊穿電壓決定。正偏SOA(FBSOA)IC

ICmaxUCEmaxPCmaxUCE(V)0UBR

反偏SOA(RBSOA)IC

ICmaxUCEmaxPCmaxUCE(V)0UBR

duCE/dt

63短路安全工作區(qū)（SCSOA）tSC≤10

s

SCSOA是指IGBT在負(fù)載短路和短路持續(xù)時(shí)間條件下由短路電流與集-射極電壓構(gòu)成的、器件能再次開關(guān)而不失效的區(qū)域。

短路SOA(SCSOA)Isc/Ic=10

IGBT發(fā)生短路時(shí),電流激增，溫升增大,超過tsc,會(huì)發(fā)生熱奔。642.閂鎖效應(yīng)：IGBT特有的失效模式。1.靜電放電：MOS柵失效，與功率MOSFET相同。二.失效模式分類：1)靜態(tài)閂鎖效應(yīng)—IGBT導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的(低壓大電流)ILS2)動(dòng)態(tài)閂鎖效應(yīng)—IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的(高壓小電流)ILSd靜態(tài)閂鎖效應(yīng)：在IGBT導(dǎo)通過程中，當(dāng)空穴電流Ip在npn晶體管p基區(qū)電阻RB上產(chǎn)生的壓降大于其發(fā)射極的開啟電壓(0.6V)，誘發(fā)寄生的晶閘管開通，導(dǎo)致IGBT發(fā)生的閂鎖。n+pn-p+

n+pEGCJ1J2J3RBRBIpInR65動(dòng)態(tài)閂鎖效應(yīng):在IGBT的關(guān)斷過程中,由于集電極電壓迅速上升,引起很大的位移電流(iB=CJ2du/dt)，使寄生的晶閘管導(dǎo)通所誘發(fā)的閂鎖。尤其是感性負(fù)載時(shí),開關(guān)電路突然關(guān)斷更易引起閂鎖效應(yīng)。解決措施：在關(guān)斷電路中串聯(lián)大阻抗，使電流降低的速度放慢dic/dt

duCE/dt

，從而抑制動(dòng)態(tài)閂鎖效應(yīng)。誘發(fā)閂鎖的其他因素：1.溫升導(dǎo)致ILS下降,導(dǎo)致閂鎖發(fā)生;2.發(fā)生動(dòng)態(tài)雪崩時(shí)，雪崩電流流過RB引發(fā)的閂鎖；3.發(fā)生短路時(shí)，短路電流很大，流過RB導(dǎo)致閂鎖發(fā)生;4.當(dāng)光照或其他輻射(如射線)照于硅片表面時(shí),會(huì)感生電流;若電流很大，也會(huì)引起閂鎖效應(yīng)。n+pn-p+

n+pEGCJ1J2J3UCERRBRBiB=CJ2duCE/dt661.襯底材料：選擇導(dǎo)電類型、晶向外延片n-/n/p+/,n型區(qū)熔單晶<100>,N溝IGBT，互補(bǔ)用P溝IGBT三.設(shè)計(jì)考慮2.電壓容量設(shè)計(jì)（耐壓結(jié)構(gòu)）：①UBR<1.2kV，可選用PT結(jié)構(gòu)②3.3kV≤UBR<4.5kV，可選用NPT結(jié)構(gòu)③UBR>4.5kV，可選用FS結(jié)構(gòu)(實(shí)際600V~6.5kV都可選用)體內(nèi)耐壓：在滿足耐壓的前提下，需考慮阻斷特性與通態(tài)特性及關(guān)斷特性之間的折衷；即考慮n-漂移區(qū)、p基區(qū)、n緩沖層、透明集電區(qū)的濃度及厚度，元胞間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及少子壽命和pnp晶體管的電流放大倍數(shù)。終端耐壓：IGBT的終端結(jié)構(gòu)與功率MOS完全相同(平面終端)。IGBT耐壓結(jié)構(gòu)與正向阻斷電壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度分布a)NPT結(jié)構(gòu)b)PT結(jié)構(gòu)擊穿定壓擊穿定壓功率器件PT型NPT型FS型功率二極管Enn+=1/4Ecr類梯形電場(chǎng)分布Wn=WD中性區(qū)WL=0Enn+=0實(shí)際為臨界穿通三角形電場(chǎng)分布/功率雙極晶體管功率MOSFETIGBTEnn+=1/4~1/2Ecr梯形電場(chǎng)分布Wn=WD+WL中性區(qū)WL=LP實(shí)際為非穿通三角形電場(chǎng)分布Enn+=1/4~1/2Ecr類梯形電場(chǎng)分布功率器件幾種耐壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比

694.可靠性(防閂鎖)設(shè)計(jì)考慮：采用發(fā)射區(qū)與p基區(qū)短路、溝槽柵、p基區(qū)(增加深p+阱區(qū)、淺p+區(qū))、MSS結(jié)構(gòu)等措施，防止閂鎖發(fā)生。表面短路(MSS)結(jié)構(gòu)3.電流容量設(shè)計(jì)(橫向結(jié)構(gòu))：①元胞設(shè)計(jì)：考慮正向?qū)ㄌ匦院烷V鎖電流密度。采用圓形、方形和條形元胞；采用發(fā)射區(qū)多重表面短路(MSS)結(jié)構(gòu)。②溝道密度的設(shè)計(jì)：采用垂直溝道，比如溝槽柵結(jié)構(gòu)；③降低導(dǎo)通電阻：采用溝槽柵PT-IGBT或FS-IGBT結(jié)構(gòu)。返回主頁課前小測(cè)驗(yàn)試題（二）1.在IGBT結(jié)構(gòu)中引入IE的目的主要是：A.降低UCEast